Развитие методов расчета и оптимизация рабочих процессов ДВС (1024698), страница 22

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 22)

поворота коленчатого вала (от 3600 до 3650). Кривые нарис. 3.22 представляют суммарные доли топлива в разных зонах для всех 7струй. В компактной камере сгорания дизеля грузового автомобиля имеет местонедостаток пространства для свободного развития ПП. Пересечение отдельных- 142 -пристеночных потоков имеет место уже в середине периода впрыскивания, см.кадр b. Значительное возрастание доли топлива в зонах пересечения ПП имеетместо в конце впрыскивания, см.

рис. 3.22, кривая σ cross и кадр c. Из-за этогонегативного эффекта количество топлива в зоне разреженной оболочки становится меньше (см. кривую σenv + σw fr + σwenv на рис. 3.22), и скорость сгоранияв этот период снижается.Если распылитель расположен в центре КС и струи ориентированы симметрично относительно центра, как показано на рис. 3.23, то рассчитываетсятолько одна струя. Далее полученные результаты суммируются. Обычно всреднеоборотных дизелях с камерой сгорания типа Гессельман струи имеютбольше пространства для свободного развития, поэтому больше топлива распределяется в зонах с хорошими условиями смесеобразования и сгорания - воРис. 3.23. Результаты расчета распределения топлива по характерным зонам вкамере сгорания среднеоборотного дизеля S/D=260/260, n=1000 мин-1, pе=15 бар- 143 -внешней разреженной оболочке и переднем фронте струи.

Кривая σ env+σ wfr+σ wenvна рис. 3.23 показывает, что доля топлива в этих зонах превышает80%,тогда как в дизелях с компактной камерой сгорания эта величина обычнолежит в пределах 60…70%. Из-за особенностей конструкции камеры сгораниятопа Гессельман угол встречи струи со стенкой таков, что ПП развивается преимущественно в радиальном направлении и может достичь поверхности втулкицилиндра (см. кадр: b и кривую σ liner на рис.

3.23).Зона зеркала цилиндра имеет плохие условия для испарения топлива, поэтому важно исключить попадание топлива в эту зону. Это особенно важно длядвигателей с мелкой камерой сгорания, где струя встречается со стенкой подострым углом и развитие ПП в радиальном направлении особенно интенсивно.Если угол встречи струи со стенкой КС близок к прямому (рис. 3.23), то ППразвивается также и в тангенциальном направлении. При этом, если цикловаяподача, а следовательно, и продолжительность впрыскивания велики, то становится возможным пересечение ПП от соседних струй.

Согласно расчетнымданным, представленным на рис. 3.23, в исследуемом дизеле пересечение ППхоть и имеет место, но очень мало из-за небольшой цикловой подачи топлива.3.5.Расчет скорости испарения в характерных зонахРасчет тепловыделения в камере сгорания дизеля строится, основываясьна предположении, что во время впрыскивания и развития струй скорость сгорания лимитируется в основном скоростью испарения [5, 6, ]. Зная распределение топлива по характерным зонам топливной струи, а также условия в этихзонах, можно рассчитать скорость испарения и скорость сгорания с учетом основных влияющих факторов. Методика расчета скорости испарения была разработана профессором Разлейцевым [5, 6].

Ниже приводятся предложенные имуравнения с дополнениями, разработанными автором настоящей работы.- 144 -В свободной струе зоной интенсивного теплообмена и испарения топливаявляется разреженная оболочка струи и передний фронт. В уплотненном осевом ядре прогрев капель незначителен и скорость испарения невелика. При соударении струи со стенкой скорость испарения топлива, находящегося в переднем фронте, резко снижается до минимума, соответствующего моменту полнойукладки переднего фронта на стенку камеры в поршне. Снижение скорости испарения в зоне 4 (рис.

3.3) вызвано более низкой (по сравнению с газом) температурой стенки, снижением интенсивности обдува капель окружающим воздухом, конденсацией капель на поверхности и снижением общей температуры зоны 4 из-за пополнения ее за счет подлетающих холодных капель из ядра свободной струи. Когда двухфазная смесь начинает распространяться вдоль стенкиза пределы первоначального пятна, скорость испарения снова возрастает. Длятого чтобы построить расчетную модель столь сложного процесса, Разлейцевым, на основе работ Д.Н. Вырубова [156, 157], были приняты следующие допущения:1) В период впрыскивания интенсивное испарение имеет место в зонахразреженной оболочке струи, во фронте струи и в пристеночном потоке. Испарением в зоне уплотненного осевого ядра струи можно пренебречь.2) Скорость испарения в каждой зоне равна сумме скоростей испаренияотдельных капель.

Скорость испарения капли до и после воспламенения рассчитывается по уравнению Б.И. Срезневского:d k2 = d 02 − K τ u ,где: dk- текущий диаметр капли, d0 - начальный диаметр капли, К – константаиспарения, τu - текущее время испарения от начала поступления капли в характерную зону.3) Топливная аппаратура современных дизелей обеспечивает довольноравномерное распыливание топлива.

Таким образом, расчет испарения топливаможет проводиться на основе среднего диаметра капель по Заутеру d32. Принимается, что d0 = d32.- 145 -4) Отношение K d 02 = bu в каждой зоне является величиной неизменной впроцессе всего периода впрыскивания [156, 157, 5, 6].5) Неучтенные факторы и погрешности принятых допущений будут скорректированы поправочной функцией Y.Для расчета скорости испарения топлива используются допущения иуравнения, разработанные Вырубовым [156, 157] и распространенные Разлейцевым для использования в условия характерных зон топливной струи.

Так вработе [6] было предложено уравнение относительной скорости испарения дляi-той зоны:[]dσui3 2 σ zi= 1− (1− buiτ ui );dττ ui(3.39)τ ui = τ s − τ s 0 i ,где: τ s – текущее время; τ s0i – время попадания топлива в i-тую зону; σzi – этодоля топлива в i-той зоне. Константы испарения топлива в разных зонах определяются из уравнения:K i = 4 ⋅ 10 6 Nu D D p p S / ρ f ,(3.40)где: NuD – число Нуссельта для процесса диффузии; Dp – коэффициент диффузии паров топлива в условиях камеры сгорания; ρf – плотность жидкого топлива[кг/м3]; pS = 2520 exp(-5220 / Tk) – давление насыщенных паров дизельного топлива.

Давление насыщенных паров для биотоплива (рапсового и соевого метилэфиров, а также смеси последнего с дизельным топливом) может быть рассчитано по формуле: ln(pS) = B - A / T; коэффициенты A и B приведены в Приложении 1. Данные приложения 1 получены путем обработки опубликованныхматериалов по свойствам биотоплива [103, 134-138]. Коэффициент диффузиирассчитывается из уравнения:D p = D po (Tk To )( po p ) ,(3.41)где: Dpo – коэффициент диффузии при атмосферных условиях (po=0.1 MPa;To=293 K, для дизельного топлива: Dpo=0.031·10-8 с), Tk – равновесная темпера-- 146 -тура испарения, p – текущее давление в цилиндре. Разные условия испарения вразных зонах учитываются соответствующим выбором параметров Tk и NuD.В разреженной оболочке струи, где расстояние между каплями велико,снижение температуры вследствие испарения незначительно.

Вследствие чегодля этой зоны Разлейцев рекомендует принять NuD = 2. Во время сгорания давление и температура в цилиндре превышают критические значения превращения жидкой фазы в газообразную, поэтому в этой зоне константа испаренияравна: Kenv=1.12 10-6 / p, где p давление [MПa].В зоне переднего фронта холодные капли из ядра струи быстро прогреваются, для этой зоны Разлейцев рекомендует принять NuD ≈20. Температура взоне переднего фронта лежит в пределах между критической (710 K) и температурой топлива (~323 K): Tk=(710+323)/2=517 K. Таким образом константаиспарения в этой зоне равна: Kfr=0.63 10-6 / p. Перед сгоранием, если температура меньше критической, Kenv и Kfr рассчитываются по уравнениям (3.40, 3.41).В зонах пристеночного потока, на стенках крышки цилиндра и на зеркалецилиндра константы испарения рассчитываются по уравнениям (3.40, 3.41), гдеTk есть некая эквивалентная температура, зависящая от температуры соответствующей стенки Twi.

Опыт идентификации модели для разных двигателей, работающих на разных режимах, включая холодный пуск, позволяет рекомендоватьследующую зависимость для расчета температуры Tk :550if 3Tk = a Twi + b Twi2 + c Twi + d ifif700где: a = 0.000000243;Twi ≤ 400400 < Twi < 700;700 ≤ Twi (3.42)b = 0.001018; c = -0.8543; d = 709.55. График зависи-мости Тк = f(Twi) представлена на рис. 3.24.Число Нуссельта процесса диффузии для пристеночного потока в уравнении (3.40) зависит от формы поверхности: для гладкой цилиндрической поверхности камеры в поршне рекомендуется принимать NuD = 2; для специально- 147 -спрофилированной поверхности вносящей возмущения в развитие пристеночного потока NuD = 3 или более.750Tk, K700650600550500300500700900Tw, KРис.

3.24. Зависимость характерной температуры зоны Ткот температуры стенки TwiДесятилетний опыт использования представленной модели сгорания дляразличных двигателей с диаметром цилиндра от 75 до 760 мм с разными камерами сгорания и распылителями позволяет рекомендовать для расчета поправочной функции Y эмпирическое уравнение, учитывающее размеры двигателя,вихревое число, частоту вращения, ход поршня, средний диаметр капель d32 :Y = 0.372 ⋅ 10 −9 (18 + y S + y rpm ) y RS0.y35 d 32−1.5 ;(3.43)где: yS = f(S) – корректирующий коэффициент учитывающий масштабный фактор; S - ход поршня [м]; yrpm =f(n) – корректирующий коэффициент, учитывающий быстроходность двигателя; RS y = MAX(0.1, Rs) – скорректированноевихревое число, рассчитанное по параметрам заряда в камере сгорания при текущем положении поршня (Rs); y ≈ 5…35 – эмпирический коэффициент, используемый для идентификации математической модели по экспериментальным данным.

Коэффициент y не зависит от нагрузки и частоты вращения валадвигателя. Громоздкая структура уравнения (3.43) появилась вследствие необходимости поддержки старых файлов данных, разработанных для ранних версий программы, которыми пользуются многочисленные пользователи. Корректирующие коэффициенты позволяют идентифицировать модель сгорания только по одному режиму работы дизеля и рассчитывать остальные режимы с- 148 -прежниминастройками.

Характеристики

Список файлов диссертации